Как сделать плавный пуск для электроинструмента своими руками

Плавный пуск получил широкое применение в безопасном запуске электродвигателей. Во время запуска двигателя происходит превышение номинального тока (Iн) в 7 раз. В результате этого процесса происходит уменьшение эксплуатационного периода мотора, а именно обмоток статора и значительная нагрузка на подшипники. Именно из-за этой причины и рекомендуется сделать плавный пуск для электроинструмента своими руками, где он не предусмотрен.

Общие сведения

Статор электродвигателя представляет собой катушку индуктивности, следовательно, существуют сопротивления с активной и реактивной составляющей.

При протекании электрического тока через радиоэлементы, имеющие сопротивление с активной составляющей, происходят потери, связанные с преобразованием части мощности в тепловой вид энергии. Например, резистор и обмотки статора электродвигателя обладают сопротивлением с активной составляющей. Вычислить активное сопротивление не составляет труда, так как происходит совпадение фаз тока (I) и напряжения (U). Используя закон Ома для участка цепи, можно рассчитать активное сопротивление: R = U/I. Оно зависит от материала, площади поперечного сечения, длины и его температуры.

Если ток проходит через реактивный тип элементов (с емкостными и индуктивными характеристиками), то, в этом случае, появляется реактивное R. Катушка индуктивности, не имеющая практически активного сопротивления (при расчетах не учитывается R ее обмоток). Этот вид R создается благодаря Электродвижущей силе (ЭДС) самоиндукции, которая прямо пропорционально зависит от индуктивности и частоты I, проходящего через ее витки: Xl = wL, где w — угловая частота переменного тока (w = 2*Пи*f, причем f — частота тока сети) и L — индуктивность (L = n * n / Rm, n — число витков и Rm — магнитное сопротивление).

При включении электродвигателя пусковой ток в 7 раз больше номинального (ток, потребляемый при работе инструмента) и происходит нагрев обмоток статора. Если статорная катушка является старой, то может произойти межвитковое КЗ, которое повлечет выход электроинструмента из строя. Для этого нужно применить устройство плавного пуска электроинструмента.

Одним из методов снижения пускового тока (Iп) является переключение обмоток. Для его осуществления необходимы 2 типа реле (времени и нагрузки) и наличие трех контакторов.

Пуск электромотора с обмотками, соединенными по типу «звезда» возможен только при 2-х не одновременно замкнутых контакторах. Через определенный интервал времени, который задает реле времени, один из контакторов отключается и включается еще один, не задействованный ранее. Благодаря такому чередованию включения обмоток и происходит снижение пускового тока. Этот способ обладает существенным недостатком, так как при одновременно замыкании двух контакторов возникает ток КЗ. Однако при использовании этого способа обмотки продолжают нагреваться.

Еще одним способом снижения пускового тока является частотное регулирование запуска электродвигателя. Принципом такого подхода является частотное изменение питающего U. Основной элемент этого вида устройств плавного пуска является частотный преобразователь, состоящий из следующих элементов:

1. Выпрямитель.
2. Промежуточная цепь.
3. Инвертор.
4. Электронная схема управления.

Выпрямитель изготавливается из мощных диодов или тиристоров, выполняющий роль преобразователя U питания сети в постоянный пульсирующий ток. Промежуточная цепь сглаживает пульсирующий постоянный ток на выходе выпрямителя, которая собирается на конденсаторах большой емкости. Инвертор необходим для непосредственного преобразования сигнала на выходе промежуточной цепи в сигнал амплитуды и частоты переменной составляющей. Электронная схема управления нужна для генерации сигналов, необходимых для управления выпрямителем, инвертором.

Принцип действия

Во время пуска электродвигателя коллекторного типа происходит значительное кратковременное увеличение тока потребления, которое и служит причиной преждевременного выхода из строя электроинструмента и сдачей его в ремонт. Происходит износ электрических частей (превышение тока в 7 раз) и механических (резкий запуск). Для организации «мягкого» пуска следует применять устройства плавного пуска (далее УПП). Эти устройства должны соответствовать основным требованиям:

1. Плавное увеличение нагрузки.
2. Возможность запуска двигателя через определенные интервалы времени.
3. Обеспечение защиты от линейных скачков U, пропадания фазы (для 3-фазного электродвигателя) и различных помех электрической составляющей.
4. Значительно повышение срока эксплуатации.

Наиболее широкое распространение получили симисторные УПП, принципом действия которых является плавное регулирование U при помощи регулировки угла открытия перехода симистора. Симистор нужно подключить напрямую к обмоткам двигателя и это позволяет уменьшить пусковой ток от 2 до 5 раз (зависит от симистора и схемы управления). К основным недостаткам симисторных УПП являются следующие:

1. Сложные схемы.
2. Перегрев обмоток при длительном запуске.
3. Проблемы с запуском двигателя (приводит к значительному нагреву статорных обмоток).

Схемы усложняются при использовании мощных двигателей, однако, при небольших нагрузках и холостом ходе возможно использование простых схем.

УПП с регуляторами без обратной связи (по 1 или 3 фазам) получили широкое распространение. В моделях этого типа появляется возможность предварительного выставления времени пуска и величины U перед пуском двигателя. Однако, в этом случае невозможно регулировать величину вращающего момента при нагрузке. С этой моделью применяется специальное устройство для снижения пускового тока, защиты от пропадания и перекоса фаз, а также от перегрузок. Заводские модели имеют функцию слежения за состоянием электромотора.

Простейшие схемы однофазного регулирования исполняются на одном симисторе и используются для инструмента с мощностью до 12 кВт. Существуют более сложные схемы, позволяющие производить регулировку параметров питания двигателя мощностью до 260 кВт. При выборе УПП заводского производства необходимо учесть такие параметры: мощность, возможные режимы работы, равенство допустимы токов и количество запусков в определенный промежуток времени.

Применение в болгарке

Во время запуска угловой шлифовальной машинки (УШМ) появляются высокие нагрузки динамического характера на детали инструмента.

Дорогие модели снабжены УПП, но не обыкновенные разновидности, например, УШМ фирмы «Интерскол». Инерционный рывок способен вырвать из рук УШМ, при этом происходит угроза жизни и здоровью. Кроме того, при пуске электродвигателя инструмента происходит перегрузка по току и в результате этого — износ щеток и значительный нагрев статорных обмоток, изнашивается редуктор и возможно разрушение режущего диска, который может треснуть в любой момент и причинить вред здоровью, а может даже и жизни. Инструмент нужно обезопасить и для этого следует сделать болгарку с регулировкой оборотов и плавным пуском своими руками.

Самодельные варианты

Существует множество схем модернизации электроинструмента при помощи УПП. Среди всех разновидностей широкое применение получили устройства на симисторах. Симистор — полупроводниковый элемент, позволяющий плавно регулировать параметры питания. Существуют простые и сложные схемы, которые отличаются между собой вариантами исполнения, а также поддерживаемой мощностью, подключаемого электроинструмента. В конструктивном исполнении бывают внутренние, позволяющие встраиваться внутрь корпуса, и внешние, изготавливаемые в виде отдельного модуля, выполняющего роль ограничителя оборотов и пускового тока при непосредственном пуске УШМ.

Простейшая схема

УПП с регулированием оборотов на тиристоре КУ 202 получил широкое применение благодаря очень простой схеме исполнения (схема 1). Его подключение не требует особых навыков. Радиоэлементы для него достать очень просто. Состоит эта модель регулятора из диодного моста, переменного резистора (выполняет роль регулятора U) и схемы настройки тиристора (подача U на управляющий выход номиналом 6,3 вольта) отечественного производителя.

Схема 1. Электросхема внутреннего блока с регулировкой оборотов и плавным пуском (схема электрическая принципиальная)

Благодаря размерам и количеству деталей регулятор этого типа можно встроить в корпус электроинструмента. Кроме того, следует вывести ручку переменного резистора и сам регулятор оборотов можно доработать, встроив кнопку перед диодным мостом.

Основной принцип работы заключается в регулировке оборотов электродвигателя инструмента благодаря ограничению мощности в ручном режиме. Эта схема позволяет использовать электроинструмент мощностью до 1,5 кВт. Для увеличения этого показателя необходимо заменить тиристор на более мощный (информацию об этом можно найти в интернете или справочнике). Кроме того, нужно учесть и тот факт, что схема управления тиристором будет отличаться от исходной. КУ 202 является отличным тиристором, но его существенный недостаток состоит в его настройке (подборка деталей для схемы управления). Для осуществления плавного пуска в автоматическом режиме применяется схема 2 (УПП на микросхеме).

Плавный пуск на микросхеме

Оптимальным вариантом для изготовления УПП является схема УПП на одном симисторе и микросхеме, которая управляет плавным открытием перехода p-n типа. Питается устройство от сети 220 В и ее несложно собрать самому. Очень простая и универсальная схема плавного пуска электродвигателя позволяет также и регулировать обороты (схема 2). Симистор возможно заменить аналогичным или с характеристиками, превышающими исходные, согласно справочнику радиоэлементов полупроводникового типа.

Схема 2. Схема плавного пуска электроинструмента

Устройство реализуется на основе микросхемы КР118ПМ1 и симисторе. Благодаря универсальности устройства его можно использовать для любого инструмента. Он не требует настройки и устанавливается в разрыв кабеля питания.

При пуске электродвигателя происходит подача U на КР118ПМ1 и плавный рост заряда конденсатора С2. Тиристор открывается постепенно с задержкой, зависящей от емкости управляющего конденсатора С2. При емкости С2 = 47 мкФ происходит задержка при запуске около 2 секунд. Она зависит прямо пропорционально от емкости конденсатора (при большей емкости время запуска увеличивается). При отключении УШМ конденсатор С2 разряжается при помощи резистора R2, сопротивление которого равно 68 к, а время разрядки составляет около 4 секунд.

Для регулирования оборотов нужно заменить R1 на резистор переменного типа. При изменении параметра переменного резистора происходит изменение мощности электромотора. R2 изменяет величину тока, протекающего через вход симистора. Симистор нуждается в охлаждении и, следовательно, в корпус модуля можно встроить вентилятор.

Основной функцией конденсаторов C1 и C3 является защита и управление микросхемой. Симистор следует подбирать, руководствуясь следующими характеристиками: прямое U должно составлять 400..500 В и прямой ток должен быть не менее 25 А. При таких номиналах радиоэлементов к УПП возможно подключать инструмент с мощностью от 2 кВт до 5 кВт.

Таким образом, для запуска электродвигателей различного инструмента необходимо использовать УПП заводского изготовления или самодельные. УПП применяются для увеличения срока эксплуатации инструмента. При запуске двигателя происходит резкое увеличение тока потребления в 7 раз. Из-за этого возможно подгорание статорных обмоток и износ механической части. УПП позволяют значительно снизить пусковой ток. При изготовлении УПП самостоятельно нужно соблюдать правила безопасности при работе с электричеством.

Originally posted 2018-07-04 07:37:29.

Плавный пуск электроинструмента в переноске

Некоторый электроинструмент в силу своих функциональных особенностей не имеет встроенного регулятора оборотов. В этой статье мы доработаем удлинитель таким образом, чтобы подключенный к ней электроинструмент запускался плавно.

Для чего он нужен

Если инструмент не оснащен регулятором оборотов, значит он ему не нужен. Угловая шлифмашина, к примеру, всегда используется при полных оборотах, иначе она становится опасной. Для чего такому электроинструменту плавный пуск? Причин немало, ведь резкий старт двигателя той же шлифмашины или электрофуганка вызывает:

• выгорание щеток и ламелей ротора;
• токовый удар в электросети;
• попытка инструмента вырваться из рук, что небезопасно;
• сильный пусковой удар шестеренок редуктора друг о друга, вызывающий их быстрый износ.

При плавном же пуске ни токового, ни механического удара не произойдет. Двигатель электроинструмента плавно запустится и выйдет на максимальные обороты.

Выбираем схему

Существует множество схем плавного пуска, постараемся подобрать что-нибудь подходящее и наиболее доступное для нас.

На дискретных элементах

Регулятор, схема которого представлена ниже, собран на симметричном тиристоре (симисторе) КУ208Г и позволяет осуществлять плавный пуск электроинструмента мощностью до 2 кВт.

Сразу после подачи напряжения на схему (тумблер SA1) Конденсатор С1 разряжен, симистор VS1 закрыт и двигатель М не вращается. Далее конденсатор постепенно заряжается через диод VD1 и резистор R2, симистор начинает открываться, но с большой задержкой от начала полуволны сетевого напряжения. На мотор поступает небольшое начальное напряжение, и он запускается на минимальных оборотах.

По мере зарядки конденсатора задержка открывания симистора уменьшается, напряжение на моторе увеличивается, а значит, увеличиваются и обороты. Как только конденсатор зарядится полностью, симметричный тиристор будет открываться в начале каждой полуволны, подавая на двигатель полное сетевое напряжение, и последний выйдет на полные обороты.

Время плавного включения можно регулировать, подбирая емкость конденсатора С1. При указанных номиналах (500 мкФ) инструмент выйдет на рабочий режим примерно через 2-3 сек после включения.

Важно! При мощности электроинструмента более 500 Вт симметричный тиристор необходимо установить на радиатор.

На микросхеме и симисторе

Эта схема собрана на отечественной универсальной микросхеме КР1182ПМ1. С ее помощью можно построить как устройство плавного пуска, так и регулятор напряжения. На схеме, приведенной ниже, микросхема включена в режиме плавного пуска.

Поскольку микросхема имеет относительно малую выходную мощность – до 150 Вт, — то оснащена мощным выходным ключом, в роли которого выступает симметричный тиристор ТС122-20-10, выдерживающий ток до 20 А. Время выхода двигателя на рабочий режим зависит от емкости конденсатора С1. Такая схема сможет работать без радиатора при мощности нагрузки до 1 кВт.

Полезно! При необходимости симистор ТС122-20-10 можно заменить на КУ208Г, но мощность устройства при такой замене упадет вдвое.

Интегральный регулятор

Схема на дискретных элементах достаточно проста и не содержит дефицитных элементов, но она слишком громоздка и ее придется поместить в отдельный корпус, особенно если электроинструмент мощный и потребуется радиатор. В этом плане намного удобнее использовать готовые интегральные блоки плавного пуска. Самый удобный для нас вариант — KRRQD20A.

Компактный интегральный блок плавного пуска (БПП) рассчитан на ток до 20 А и способен коммутировать мощность до 4 кВт. Модуль имеет 2 вывода и включается в разрыв одного из питающих проводов двигателя инструмента. Если оснастить им удлинитель (многие почему то называют его переноской), то электроинструмент, подключенный через него, будет плавно запускаться при нажатии на кнопку включения.

На фото хорошо видно, что модуль предназначен для установки на радиатор, но если мощность электроинструмента не превышает 1 кВт, то радиатор не потребуется.

Важно! Существуют похожие модули с теми же функциями, но имеющие три вывода. Для наших целей они не подходят, поскольку включаются не просто в разрыв питающего провода, а подают напряжение на мотор по отдельной линии.

Схема подключения нанесена прямо на корпусе прибора и очевидно, что его можно использовать, только установив после выключателя в сам электроинструмент. Тоже неплохой вариант, но, во-первых, удлинитель более универсальное решение (можно подключать любой инструмент или даже лампу), а, во-вторых, разбирая инструмент, мы лишаемся гарантийного обслуживания.

Доработка удлинителя

Существует множество вариантов доработки удлинителя. Если нам нужна максимальная нагрузка, то БПП можно выполнить в отдельном корпусе, в качестве которого можно взять ту же розетку, вытряхнув из нее начинку. Если инструмент бытовой и радиатор не нужен, то вполне реально разместить такой модуль прямо в розетке удлинителя.

Полезно! Эту доработанную розетку удобно разместить на одной площадке вместе с розетками, включенными напрямую в сеть. Это делает удлинитель универсальным. Одна розетка с плавным пуском, остальные обычные на 220 В. Ту, которая с плавным, просто запитываем от обычных.

Удлинитель с регулировкой напряжения

Если для работы с угловой шлифмашиной оптимальны максимальные обороты, то некоторые другие электроинструменты удобнее использовать в разных режимах. Если такие инструменты не оснащены собственным регулятором или последний вышел из строя, то можно воспользоваться удлинителем с регулировкой напряжения. Для этого достаточно собрать несложную схему:

Здесь в качестве управляющего элемента используется симистор BTA16, рассчитанный на ток 16 А. Если его установить на радиатор, то регулятор можно использовать с электроинструментом мощностью до 3 кВт. Если радиатора нет, то мощность нагрузки не должна превышать 600 Вт.

Вместо симметричного динистора DB3 можно использовать HT-32, STB120NF10T4, STB80NF10T4, BAT54. Регулировка оборотов производится при помощи переменного резистора сопротивлением 500 кОм желательно с линейной характеристикой.

Такой блок с радиатором и переменным резистором, конечно, в розетку не поместится, поэтому для него понадобится свой корпус. На фото ниже изображен один из вариантов – схема размещена в корпусе вышедшего из строя настенного накладного диммера.

Как мы убедились, оснастить удлинитель схемой плавного пуска совсем несложно – с этим справится каждый, кто знаком с основами электротехники. Да, придется с полчаса повозиться, но зато теперь и инструмент будет жив, и руки целы.